（电力电子与电力传动专业论文）开关磁阻电机推进系统模拟螺旋桨负载装置的研究.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h em a n ya d v a n t a g e so fe l e c t r i cp r o p u l s i o ns h i pp r o p u l s i o nm e t h o dh a s b e c o m et h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o na sl o a dd e v i c e sa n dp r o p e l l e r sw h i c ho c c u p i e s a l li m p o r t a n tp o s i t i o ni nt h ee l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e m s r mh a ss t r o n gn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c sa n dh i g h - p e r f o r m a n c es r mi sv e r y d i f f i c u l t b u ts r ma so t h e rt y p e so fe l e c t r i c a lp r o p u l s i o nm o t o r sw i t hu n m a t c h e d s u p e r i o r i t y i nt h i sp a p e rt h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es r m n l em o d e li sb a s e do n l i n e a ri n d u c t a n c ea n dt h es m a l l s i g n a ll i n e a rm o d e lc a l i b r a t i o n t h es o f t w a r e m a t l a b s i m u l i n ki su s e dt oa n a l y z et h ep e r f o r m a n c eo ft h em o d e lo fc o n t r o l s y s t e m s r m p r o p e l l e rp r o p u l s i o ns y s t e mt h r o u g ht h ee x i s t i n go p e nw a t e rp r o p e l l e r l o a dm a t h e m a t i c a lm o d e lo fe x p e r i m e n t a ld a t a , d cg e n e r a t o ru s e da saf o r mo f p r o p e l l e rp r o p u l s i o nm o t o rt o r q u es e r v os y s t e mt or e p l a c et h el o a d t i l i sp a p e r d e s c r i b e sas w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o rp r o p u l s i o ns y s t e m s ，e l e c t r i c a le q u i p m e n t a n dl o a ds i m u l a t i o ns o f t w a r ed e s i g np r o c e s s l o a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o p e l l e r a n di t sf o c u so ns o f t w a r ea l g o r i t h mm e t h o d t h i sp a p e ra l s og a v ed e t a i l so f t h ee l e c t r i c a lp r o p u l s i o ns y s t e ma n ds 0 1 a r e d e s i g np r o c e s s l o a dc h a r a c t e r i s t i c so ft h ep r o p e l l e ra n di t sf o c u so ns o t h v a r e a l g o r i t h mm e t h o d e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o ws r m a sap r o p u l s i o nm o t o r , d c g e n e r a t o rs i m u l a t i o np r o p e l l e rl o a de l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e mi sf e a s i b l e ；s r m u s e di nt h ep a p e rf o re l e c t r i cp r o p u l s i o ns y s t e mw a sa na t t e m p tt os h i p k e y w o r d s ：s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ；p r o p e l l e rc h a r a c t e r i s t i c s ；l o a ds i m u l a t o r ； e l e c t r i cp r o p u l s i o n ；t o r q u es e i v o 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下， 由作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引 用己在文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用 的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体己经公开发表 的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结 果由本人承担。 作者( 签字) ：墨： 堕 日期：j 口口_ ) 年；月f 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 人类在开发利用海洋资源的进程中，对船舶推进动力方式不断进行研究 和探索；时至今日，柴油机驱动得到了广泛应用，成为船舶主要的推进装置。 然而，原有的利用柴油机直接推进方式存在一些不足。电力推进方式能较好的 解决目前采用柴油机推进方式所存在的问题，无论是在改善污染问题方面， 还是在提高船舶营运经济性方面，都可望收到良好的效果。此外，电力推进 所特有的噪声低、机动性能好、可匹配多种原动机、生命力强、维护方便、 容易实现自动化等优点受重视的程度与日俱增，又激活了新一轮的电力推进 应用研究的热潮f 1 】1 2 】【3 】。 哈尔滨工程大学电气工程实验室前期建设建成了交直流电机推进系统， 并取得了大量的实验成果，后续项目主要目的是验证特种电机推进系统在船 舶全电推进中实现的可行性。开关磁阻电机( s w i t c h e dr e l u c t a n c em o t o r ) 推进系统部分主要研究开关磁阻电机( 以下简称s r m ) 作为船舶推进动力，带 动螺旋桨负载时，推进系统的机械和电气特性，并采用直流发电机来完成螺 旋桨负载模拟，为“船舶综合全电力推进技术”推进部分的研究提供良好的 软硬件平台。 1 2 课题研究的国内外发展现状 船舶综合全电力推进系统包括：发电、输电、配电、变电、拖动、推进、 储能、监控和电力管理，是现行船舶平台的电力和动力两大系统发展的综合； 它不是电力推进加自动电站的简单组合，而是从概念到方案、组成、配置、 技术等方面均发生重大变化【1 1 。 从8 0 年代起，供电系统、推进电机和微电子及信息技术的迅猛发展，使 船舶电力推进装置加快了发展步伐：变频技术在船舶上的实际应用，使电力 哈尔滨工程大学硕士学位论文 推进装置取得了突破性进展。随着技术进步，提出了发展综合全电力推进系 统概念，将船舶的电力系统和推进系统组成一个整体，把动力机械能源转化 为电力，提供给推进设备和船上其它设备使用，使船舶日用供电和推进供电 一体化，实现能源的综合利用和统一管理【4 】。 舰船推进有直流推进和交流推进两大类。目前在潜艇电力推进中直流推 进仍然占主导地位。在水面舰船电力推进中交流电力推进占主导地位，交流 推进电机为交流异步推进电机、交流同步推进电机和特种推进电机并存的局 面。特种推进电机无论在水上和水下舰船电力推进中，都表现出极其强大的 竞争力，将得到越来越广泛的应用。 s r m 推进系统由s p , m 、功率变换器、控制器和检测器四部分组成。目前已 成为各国研究和开发的热点之一圆。s p y 推进系统作为一种新型调速驱动系 统，首先在电动车驱动系统中得n t 应用，实践证明，s r m 推进系统具有许 多直流电动机驱动系统和一般交流电动机调速驱动系统难以比拟的优点。s 蹦 推进系统还可以应用于各类运载交通工具领域，目前我国中小型舰船电力推 进系统中尚未开始应用，但其发展方向是明显的，是船舶电力推进技术中很 有竞争力的一个方面。 在物理模拟系统中，为控制系统提供逼真的负载对分析和考核控制系统 的实际运行性能具有重要意义。船舶应用范围内，为使设计的操舵系统在实 际运行时工作准确可靠，对其进行负载模拟实验必不可少。目前螺旋桨负载 模拟的方案大体分以下两种：一种是将螺旋桨放置在蓄水池中进行实体模拟； 一种是利用螺旋桨敝水实验的数据，通过机械或电气机构进行模拟。前一种 方法实现条件比较复杂，制造成本高，噪音大，当前较少采用。后一种较为 灵活，可以不受地点条件制约，便于数据的采集与处理。 1 3 论文主要工作 本文以s r m 推进系统为考核对象，设计s p s i 推进系统电气控制原理图， 实现s r m 推进系统的远程本地、手动自动等控制方式。推进系统负载设计 为螺旋桨负载，使用软件实现螺旋桨数学模型算法，直流电机转矩伺服系统 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 具体执行螺旋桨负载模拟。负载模拟过程中，数据采集卡的输出信号控制直 流电机的轴转矩与推进电机带动螺旋桨工作时的负载转矩相等。 论文包括以下几个部分： 第一部分：分析船舶螺旋桨推进器的工作特性，建立螺旋桨数学模型； 第二部分：建立推进电机调速系统数学模型，完成控制系统参数计算； 第三部分：选取推进系统负载部分的主要元件，建立负载电机控制系统 数学模型： 第四部分：推进系统总体电气原理设计；螺旋桨数学模型和数字调节器 为基础的软件设计； 第五部分：各部分的硬件调试，软件调试与负载模拟结果分析。 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章螺旋桨推进器特性 螺旋桨推进器是船舶运动的动力，研究船舶运动必须深入了解螺旋桨推 进器特性。本章首先介绍螺旋桨的运动原理，建立运动方程，然后详细分析 螺旋桨在几种典型工作状况的运动特性，为s r m 推进系统负载模拟螺旋桨的 软件算法设计提供理论基础。 2 1 螺旋桨的推力和转矩 螺旋桨靠桨叶向后拨水而产生推力，其本身除旋转外，还要跟着船一起作 轴向移动，相对于水的轴向前进速度称为螺旋桨的进速以。依据螺旋桨的工 作原理，其推力p 和转矩m 。可表示为： p = k m n 2 群 ( 2 一1 ) 埤= o 2 d ； ( 2 2 ) 式中：p 一海水密度，单位为k g s 2 m 4 ； n 一螺旋桨转速，单位为r s ； d ，一螺旋桨直径，单位为聊。 定。、k 吖一螺旋桨的推力系数和转矩系数，都是进速比的函数。 螺旋桨的进速比g 定义为螺旋桨回转一周的轴向进程绋( 巧= 竹) 与 桨径( 玩) 的比值，表达式为： g = 每= 去 协3 ) 进速比g 是描述船舶运动状态的一个重要参数。敞水条件下k 。、k 村与 g 的关系被称为螺旋桨的敝水特性。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 螺旋桨与船体的相互作用 前一节已经简单介绍螺旋桨自身特性，由于螺旋桨是和船体一起运动的， 因此螺旋桨与船体的工作状况会相互影响。螺旋桨工作时受到船体尾流的影 响，同时螺旋桨的工作也使船的尾流发生变化，其结果是船体与螺旋桨的工 况都与它们单独工作时不同。因此，应该把船体与螺旋桨作为一个整体来研 究。工程上先考虑船对桨的影响，再考虑桨对船的影响，然后综合求取最后 结果。下面简单介绍有关螺旋桨和船体相互影响的参数。 2 2 1 船体对螺旋桨的影响：伴流系数 设船相对水的速度为埃，由于船体对螺旋桨的影响而出现的伴流系数使 流过螺旋桨的水流速度与略并不相同，显然 o9 2 g l i 图2 1g = c 时螺旋桨工作特性 实际上螺旋桨装船后由于船对螺旋桨的阻力，船舶稳定航行的工作点是 阻力特性曲线与螺旋桨有效推力特性曲线的交点。因此船在稳定航行时，船 速与螺旋桨的转速成正比，并且螺旋桨必然工作在图2 1 的某一特性曲线上。 2 。3 。2 系缆特。睦 螺旋桨工作点随着船的阻力的变化而变化，处于哪条特性曲线并不确定。 当船速为零时，螺旋桨的工作特性称为抛锚特性曲线或称为抛锚特性曲线 ( g = 0 ) ，如图2 1 所示。系缆工作特性表达式可写成： = k u x p d s p n 2 = 翰疗2 ( 2 9 ) 式中：m ，。一船舶系缆时的螺旋桨转矩，单位n * m ； k e x 一转矩系数，常值。 当船舶在大风浪中逆风航行时，船速接近零；或者船舶启航时，由于螺 旋桨推进器的启动速度比船舶启动速度快得多，螺旋桨已经启动而船速还接 近于零。以上两种情况下螺旋桨的工作特性就接近于系缆特性。 如果船舶有拖曳性负载( 如拖船) ，则其螺旋桨转矩与转速曲线应该处 于自由航行特性与系缆特性之间。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 3 反转特性 当航速不变时，螺旋桨反转过程中其阻转矩与转速的关系特性曲线称为 螺旋桨的反转特性曲线。螺旋桨在航速为零的情况下进行反转，其反转特性 曲线为一条相对于原点对称的曲线，如图2 2 中曲线l 所示。螺旋桨的反转 时间与船舶的倒航时间是不相等的。螺旋桨反转时间以秒计算；而船舶倒航 ( 例如由全速前进到全速后退) 时间以分计算。在螺旋桨反转到船舶倒航过 程中，船舶倒航时间是螺旋桨反转时间的1 0 0 到1 5 0 倍，工程上可认为船舶 倒航的初始阶段，尽管螺旋桨已经反转，但船舶航速保持不变。所以在螺旋 桨反转时，其转矩特性有着非常特殊的变化，如图2 2 所示。 m m 。 o舭 。 雁 ，| c 图2 2 螺旋桨反转特性 螺旋桨在船舶正向航行情况下进行反转，反转特性曲线都具有这样的特 性：当螺旋桨的转速为正值时，如图2 2 中曲线4 的b c d 段( 由全速前进到 全速后退) ，从某个工作点开始将会出现负值的制动转矩，在某个转速时出 现负转矩的最大值，如c 点。负制动转矩的出现是由于船舶继续向前推进而 螺旋桨在水压的作用下将力图维持原先的旋转方向，这时螺旋桨不再作推进 器的工作，处于水轮机工作状态。 倒车时螺旋桨制动转矩的大小与船的前进速度的大小有关，若船原来的 前进航行速度越快，则螺旋桨的负制动转矩也就越大，如图2 2 中曲线3 、4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 所示( 曲线4 对应的初始船速较高) 。实际过渡过程由于船速不断降低，螺 旋桨转矩不按一条确定的曲线变化，而是由下方特性逐渐向上方特性过渡。 螺旋桨反转特性的转矩和推力表达式可以写成： 坼= p d ；瑶( 1 一叻2 ( 2 1 0 ) p = 缉p d p 3 y s 2 ( 1 一奶2 ( 2 1 1 ) 式中：翰一转矩系数； 缸一推力系数。 2 4 本章小结 本章介绍螺旋桨的工作原理，给出螺旋桨工作过程中的推力和转矩与螺 旋桨转速之间的数学表达式，分析螺旋桨在船舶不同运动情况下的3 种典型 转矩特性。本章的目的是为后面的系统建模及系统软件设计奠定理论基础。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第3 章s r m 推进系统数学模型 3 1s r m 的结构与原理 s 跏为双凸极结构，定子各极上绕有集中绕组，径向相对极的绕组串联， 构成一相；转子仅由叠片叠压而成，既无绕组也无永磁体。其工作原理遵循 “磁阻最小原理”一磁通总是要沿磁阻最小的路径闭合。因磁场扭曲而产生 磁阻性质的电磁转矩。按顺序给相绕组通电，转子便连续转动起来。s 跚具有 再生能力，系统效率高。以上特点使得s 跚在舰船电力推进系统中有很大的应 用潜力。 3 1 1s r m 推进系统的工作原理 s i i m 推进系统主要由s 跚、功率变换器、控制器、位置检测器等部分组成， 如图3 1 所示。s r m 为双凸极铁心结构，只在定子上安装各相励磁绕组，绕 组电流波形随着电动机工作状态的不同而变化，铁心磁通密度高饱和。s i i m 模型无法得到简单、统一的数学解析式，s 麟磁路饱和、涡流、磁滞效应等 产生的非线性影响性能，考虑了非线性因素，可以列出准确数学模型，但计 算繁琐。 图3 1s r m 推进系统的基本构成 1 0 机械 输出 哈尔滨工程大学硕士学位论文 为此有的文献给出了准线性模型【2 l ，有的给出了采用数值方法处理后的 非线性模型【2 ”，但本文重点在于研究推进系统的整体特性，在实用和理论之 间折衷处理建立s 铷的线性模型。为简化分析假设如下条件成立： ( 1 ) 主电路电源的直流电压( 玑) 不变； ( 2 ) 半导体开关器件为理想开关，导通时压降为零，关断时电流为零； ( 3 ) 忽略铁心的磁滞和涡流效应，即忽略铁耗； ( 4 ) 电动机各相参数对称，每相的两个线圈作正向串联，忽略相间互感； ( 5 ) 一个电流脉动周期内，认为转速恒定。 3 2s 刚的基本方程 s r m 推进系统可以看作电端口作为输入，机械端口作为输出的机电能量 转换装置。不计磁滞、涡流及绕组间互感时，m 相s r m 系统原理图如图3 2 所示。 d w d d t 无损耗磁场系统 厂 厂 昌 、壬，玎( f 口，护) 芦i r d q j b d t甲6 ( f 6 ，口) 。丝 d w m d t 、壬，小( f 州，口) 图3 2m 相s p & i 系统原理图 ，为s 肌转子及负载的转动惯量，d 表示粘性摩擦系数，凡表示负载转 矩。s r l d 推进系统动态微分方程由电路方程、机械方程、机电联系方程三部 分组成。 3 2 1 电路方程 由基尔霍夫电压定律得到s 刚第k 相电压平衡方程式为： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 u i = r i “+ d u l i d r ( 3 1 ) 式中：仉一加于k 相绕组的电压，单位v ； r 。一k 相绕组的电阻，单位0 ； “一_ j 相绕组的电流；单位a ； 甲i k 相绕组的磁链，单位h ； 由于s 蹦磁路非线性特性，s 跚磁链l 壬，。和相电感厶都是绕组电流i 。和转 子位移角巩的函数，即： 甲i = 甲i o t ，0 i ) ( 3 2 ) s 跚磁链可用电感和电流的乘积表示，即： 甲= l l ( 巩，“) i k ( 3 3 ) 将式( 3 2 ) 、式( 3 3 ) 代入式( 3 1 ) ，得： 驴等警+ 警警 嗽+ ( l k + i k 8 l k ) d 讲i k + f t 等警 ( 3 _ 4 ) 式( 3 4 ) 右端第一项为j j 相回路的电阻压降；第二项是由电流变化引起 磁链变化的感应电动势，称为变压器电动势；第三项是由转予位置改变引起 绕组中磁链变化而感应的电动势，称为运动电动势，与电磁机械能量转换直 接有关。 3 2 2 机械运动方程 在s 跚电磁转矩n 和负载转矩几作用下的转子机械运动方程如下： 肛j 窘+ d 鲁饥 s ， 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 2 3 机电方程 机电方程即通过电磁转矩联系反映机电能量转换的转矩表达式。s 硎在 磁路饱和状态下运行时的非线性特性，使贮能和共能的积分很难解析计算。 但s p , m 及其负载都有一定的转动惯量，运动特性可以用平均转矩衡量。由于 相绕组的对称性，s i i m 输出平均转矩为： r = 要生后一，r t 。( 口，f ( 曰增 = 警l 2 x , v r f 。j ( 印警d 矧( 3 - 6 ) 式中：孝一相电流的中间变量； n 一s r m 相数； ，一s r m 转子齿数。 式( 3 4 ) 到( 3 6 ) 构成s r m 的数学模型，从理论上完整准确地描述s r m 的电磁及机械关系，由于工( 卵及f ( d 难以解析，必须适当简化。 3 3s r m 线性电感模型 s p j 4 运行时绕组电流不是交流量也不是直流量，随着电动机的运行状态 变化，解析计算比较困难。为此从简化的线性电感模型入手分析s r m 内部的 基本电磁关系和基本特性。 忽略s r m 磁路饱和，假定相电感与相电流的大小无关，不考虑磁场边缘 扩散效应，相电感随转子位置角口周期性变化的规律如图3 3 。口= o 对应定 子凸极中心与转子凹槽中心重合的位置，相电感为最小值三。，转子转过半 个极距( “2 = # n ，) ，定、转子凸极中心完全对齐，相电感为最大值工一。 随着定、转子磁极重叠的增减，相电感则在三一和工。之间线性增减，工( 变 化的周期即为f ，( 对于本推进系统的s 跚，f ，= 6 0 ) 。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 图3 ，3 相绕组电感与转予位置角口关系图 s r m 的转子槽宽大于定子极弧宽度，转子极弧宽度p ，大于定子极弧宽度 ，。护。e ：区域内，定转子磁极不相重叠，相电感保持最小值三。，其中口2 为转子磁极的前沿与定子磁极的后沿相遇的位置，转子转过o ：后，相电感开 始线性上升直到转子转到巩，仇为转子磁极的前沿与定子磁极的前沿重叠 处，相电感升到最大值三一。在凸口。区域( e ，一e 。= p , - 。) 内，相电感 保持在最大值三一，口为转子磁极的后沿与定子磁极的后沿相遇的位置，相 电感开始线性下降，直到良处降为。岛、绕均为转子磁极后沿与定子磁 极前沿重合处。如此周而复始，往复循环。从以上分析得到理想化线性s 删 绕组电感的分段线性解析式： 三( 回= 工柚 口】s 口 口2 k ( 8 - 8 2 ) p2日e3(3-8) 三m0 3 s p 0 4 三删一k ( e - e 4 ) 口4 s p 0 ，s r m 就可 以稳定运行。固定开关角的斩波控制方式和a p g 方式下s r m 电动运行，这一 小闭环是稳定的。在得出了s 跏推进系统的稳定条件以后，可以再分析s p , m 推进系统的闭环控制特性。由于篇幅所限，这里不做过多研究。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 5s r m 推进系统小信号线性模型参数计算 3 5 1 系统原理框图 画出推进电机s r m 闭环调速系统原理框图如下所示。系统所用推进电机 为四相( 8 6 ) s l i m ，额定功率p = 5 5 k w ，额定转速肝= 1 5 0 0 r m i n ，功率 变换器主开关器件选用g t r ，其各环节传递函数已在前面推导。 如图3 9 所示，给定速度与反馈速度的偏差输入速度调节器a s r ，a s r 的输出作为p 咖电路的输入控制信号，p 嘲电路的输出控制开关器件的状态， 使施加到s l i m 相绕组两端电压的有效值发生改变，实现s l i m 的转速控制。 根据直流脉宽调速理论，双闭环调速统的电流内环可以提高系统抗扰性 能，而且电流调节器输出的限幅值决定电枢电流的最大值，当电动机堵转时， 电流环截止形成“挖土机特性”。 图3 9s r m 推进系统闭环系统调速框图 由于s 1 i 具有类似并励直流电机的机械特性，为了简化系统设计及参数 整定，图3 9 省掉了电流调节环，只有速度环构成单环调速系统，系统的电 流限制通过限幅斩波实现。安装在s i i l 上的转子位置传感器输出的位置信号， 送至逻辑控制电路，产生对应的“开”、“关”信号，控制对应相绕组的通、 断。转子位置检测信号的频率与电动机的转速成正比，位置检测信号通过f v 电路得到转速信号。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 5 2 线性模型简化 图3 1 0 系统小信号传递函数结构图 。 如图3 1 0 所示系统的小信号传递函数结构图，把满足稳定条件式 k 。 一d 的s 跚小闭环等效为一个整体环节；把零阶保持器近似为一时间常 数为r 的小惯性环节，把速度反馈化成单位反馈形式，r 、l 等效为个惯 性环节足1 0 + r 妒) ，其中，丁= 丁+ 死，k s = t k 。k 。k 。= k 。k 。k 。图3 1 0 可化成图3 1 1 。 磬k n 1l 图3 1 l 简化传递函数结构图 图3 1 l 中，t u = j ( d + k 。) ，由图3 1 1 ，可得调节对象的传递函数为： 形一( s ) 2 瓦鬲k 厩a s r 而( 3 - 3 6 ) 式中足棚由式k 脚= k 。k 。k 觥d + k 。) 决定。 一 一 固 一斗l 习 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 5 3 系统参数计算 在画出系统的结构图后，进行调节器设计之前，必须先求出传递函数中 有关的各个参数。由于s p $ 1 推进系统的非线性，其参数的精确计算比较困难。 从工程的角度出发，只要求近似估算参数，采用三阶设计方法可根据较容易 根据精确估算到的小惯性时间常数r 来确定p i 调节器的微分时间常数，然 后可以通过调节p i 调节器的比例增益来权衡系统稳、快、准的要求。 p w m 信号放大器件的放大系数k 。( = k z ) ：当输入控制电迂在0 1 0 v 内变动时，p w i d 控制信号占空比在0 - 9 0 内调节，而加到相绕组两端的直流 电源电压为玑2 = 2 6 0 v 。得到放大系数k 。= 2 6 0 * 0 9 1 0 = 2 3 5 。 宽调制周期r ：因斩波频率设计值为，= 1 1 k h z ，则t = 1 f = 0 9 1 m s 。 速度反馈系数爱。：采用f v 电路测速，通过满刻度调整电位器，当转 速f i r = 1 5 0 0 r r a i n 时，即国，= 1 5 7 r a d s 时，f v 电路输出电压调整电压为9 v 。 所以k 。= 9 1 5 7 = 0 0 5 6 v ( r a d s ) 。 速度反馈滤波时间常数凡：由于f v 电路输出都有纹波，在低速时尤其 严重，一般都需要滤波，否则无法应用。n 太小，滤波效果不佳；但l 太 大，又将影响系统的性能，通常可在1 1 0 r e s 之间选择，取t 。= 2 m s 。 s 删小信号动态模型系数凰、k 。；k 。、k 。的精确计算较为困难，即 使根据式( 3 - 1 8 ) 初步估算也必须首先估算出电动机参数0 ：、三一、上。 由给定样机几何尺寸及绕组匝数，利用近似解析法，算得三。= n 2 舶 = 6 5 2 x 2 9 8 9 x 1 0 - 7 = 1 3 x 1 0 一嘲，取三。= 6 工m = 7 6 x 1 0 - 3 h ，同时算得 口2 = 8 6 。= 0 1 5 r a d ，将算得的，。、三。m 、目2 及国，= 1 5 7 r a d s 、m = 4 、n ，= 6 、 u ，= 4 x 0 9 x 2 6 0 5 = 1 8 7 v 、p 。= 0 、锄= o 5 2 r a d s 代入式( 3 - 1 8 ) 得 k 。= i 8 5 n 肌v 一，k 。= 2 2 n m s 求s r m 机电时间常数r 。：为求r 。需要测量电动机的飞轮矩g d 2 。若不 计粘性摩擦，则有转矩平衡方程： r ：t l + g d a n r ( 3 - 3 7 ) 3 7 5d t 为简化测算，初步估算时可近似认为s r m 运行在线性工作状态，其瞬时 转矩按s r m 准线形模型计算，则有： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 r = 丝9 足，锄 口n 式中：r a 一电动机相数； 五一相电感增大率，k = ( 三。一三。) ( a 3 一口：) ； ，。一相电流平均值，单位a 。 当匀速时，弹，= 胛o ，且( d 行，d t ) t 栉产丹。= o ，则有： =-tki知tl 皇 当断开电动机供电，即，荫= o 时，则r 一0 ，由式( 3 5 ) 得： 肛一等等 ( 3 侧 由式( 3 - 2 8 ) 和式( 3 - 3 9 ) 可得： g d 2 = 1 3 7 5 m 百k i f 劲2 ( 3 3 9 ) 转动惯量，亦可由给定电动机的几何尺寸直接计算出。由于s r m 转子上 无绕组，而且其断面形状一般可以近似解析。因而若知电动机转子冲片几何 尺寸，根据定义容易导出下列计算转动惯量l ，的公式，即： ，= p l 。噎d 4 + 警( d r d o 仔4 0 ) 式中：p 一铁心材料密度，p = 7 8 x 1 0 3 k g m 3 ； 工。一转子铁心长度，单位r a ； ，一转予极数； 9 。一转子极弧角，单位r a d ； d 。一转子凸极外直径，单位m ； d ：一转子凹槽外直径，单位m 。 显然式( 3 4 0 ) 算得的，较s r m 转子的实际转动惯量要大一些，因为实 际上s 跚的转子尚有一轴孔，丽式( 3 - 4 0 ) 是据实心转子推导的。根据推进 电机的几何尺寸，由式( 3 4 0 ) 算得，= 5 8 x 1 0 4 k g m 2 。求得，后，按下式 代入数据可求得r 。，即； 哈尔滨工程大学硕士学位论文 丁“= 志* i j = 2 6 ，攀 3 。6s r m 推进系统速度调节器设计 类似式( 3 3 6 ) 的推导过程，在不同控制方式下，s 眺推进系统速度调 节器的调节对象传递函数皆可近似等效为式( 3 4 1 ) 所示的形式，即为参数 不同的两个惯性环节： 瓯。净面前而( 3 - 4 1 ) 其中t t 。 s r m 推进系统在不同的控制方式下，其参数和结构都是变化的，s 脚推进 系统精确的动态模型难以建立，而p i d 调节器在受控对象的模型未知的情况 下，比例、积分、微分常数可通过现场整定。常规p i d 调节器往往难以使系 统获得满意的动态品质，必须在理想p i d 调节的基础上，引入一些非线性控 制策略，如必须引入参数自适应p i d 控制器。本文重点在于研究推进系统整 体特性，不在这里过多阐述。 如果按照“二阶最佳”工程设计法对如式( 3 - 4 1 ) 所描述的调节对象， 采用p i 调节器，即： 形j o ) = 三掣 ( 3 4 2 ) ，j 式中力= 丁。这样可消去一大惯性环节，剩下的只需选择霉满足霉= 2 k 。n 。 s 蹦推进系统一般并不满足t 3 0 t 。的条件，但实践证明，当t m t 。常 常仍可将r 。惯性环节近似看作积分环节来计算三阶设计的调节器，即对式 ( 3 4 1 ) 的对象采用如式( 3 4 4 ) 所示的p i 调节器，即： w a s ) = ! 掣 ( 3 4 3 ) ， 式中f i = 4 t 。；霉= 8 k 。t e 2 t 。 2 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 基于“二阶最佳”和“三阶最佳”设计方法的调节器设计是针对式( 3 4 1 ) 的调节对象而言的。实际的s r m 推进系统要比式( 3 4 1 ) 复杂得多。式( 3 4 3 ) 是从s p , i i i 推进系统小信号动态模型作若干近似处理后得到的；s r b l 推进系统 小信号动态模型本身也是近似模型，必须在小信号下才有足够的近似程度。 根据上面求得的系统参数，可确定调节对象的传递函数的参数： t m = t - i - t 。= 0 9 1 q - 2 = 2 9 1 m s k 一= 篱嚣一鼍警2 警乩2 则调节对象的传递函数为： 形。( s ) = 面菊而1 2 丽x l 瓦0 6 而而 绘出未校正前系统的波特图如下： b o d et z l a g r a m 墓埘2 一j i ：，。i 、o 一! ：一一- i 一+ k 卜一0 0 一。一曩：，一- ；、。曩i 萼- 9 0 j , 一：，i k 一! 一 薹 o ；! ； 。、一：| | i 芷删i ；0 。一曩一 0 。辜嚣0 。：冬! 10 。一! 一+ 一! ；，j 舶。l 一上! 上一三二2 ：i 一：i 二一l ：i 三二二= 兰：釜i ，j 图3 1 2 未校正前系统的波特图 哈尔滨工程大学硕士学位论文 由瓦( 3 - 3 9 ) ，强二彤r 设计的愿发调节器为： g 脚= 譬= 寺喝c 寺 浯4 a ， 式中：力= 4 t z ；t ，= 8 x 脚程仃k 。 将数据代入得：f i = 11 6 4 m s ，互= 3 1 m s 则调节器传递函数可写成下列 形式： 洲沪等以6 8 ( 1 + 音1 兰) ( 3 - 4 5 ) j 。51 o 占 由于调节对象为两个惯性环节，。、n ，按三阶设计，为了减小超调， 速度给定通道需要给定滤波器，其时间常数r 。的计算与r 。t ：之比有关。当 t m t z 3 0 时，t g = 4 t z ；若r 吖t 3 0 ，则t g = q t z ，其中q 0 或，l 0 ) ，式( 4 - 2 ) 变成m d m = u 。+ ，2 一t ，l ) 罢譬，整理得： 膨。一( m l - a j l 吾害+ ，z 斋争= 斋警 c 4 一s ， 只要在动态变化过程中，负载电机转矩满足吖l - - a 儿吾警= 膨，即 可满足要求，负载电机的转矩给定值m 。= m 。= 儿吾害+ ；肠， 采用转矩传感器直接测量发电机轴上的动态转矩，其实际测量值为： m m = 肘。+ 九吾鲁= m + 勋+ 吾鲁 c t a ， m m = c 扣lo(4-5) 式中：m 。一传感器测量转矩，单位肘5 m 一发电机电磁转矩，单位聊； k 一发电机阻尼系数； c o 发电机的转矩电流比系数，单位n m a ； j 。一发电机电枢电流，单位a 。 由于在系统动态响应过程中m ，m l ，m 。包含负载电机的惯性矩 几面2 z 瓦d n ，所以转矩系统的给定值肘。也应该包含相应的惯性矩，：等鲁， 实际转矩给定值应为： 舻半讥告等( 4 - 6 ) 由式( 4 5 ) 可知调节发电机的电磁转矩可以通过调节发电机的电枢电流 实现，通过对式( 4 1 ) 、式( 4 2 ) 的对比分析可知发电机模拟负载可行。 4 2 负载模拟装置的主要部件 利用所给的技术指标画出螺旋桨负载模拟系统的结构框图如下： 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 2 0 v a c 3 8 0 v a c 4 2 1 直流发电机 图4 2 负载模拟系统的结构框图 从第2 章分析可知船舶倒航过程中，尤其在初始船速较高的时候，螺旋 桨在一段时间内处于水轮机状态，直流发电机工作在电动状态，带动推进电 机旋转，因此选择发电机的功率与推进电机相当。选用z 2 - 5 2 他励式直流发 电机，其主要性能技术数据如下： 功率尸= 6 k w ；额定转速，l = 1 4 5 0 r p m ；额定电流i ，= 2 6 1 a ；额定电 压u = 2 3 0 v ：额定励磁电流= 1a ；额定励磁电压= 1 1 0 v ；转动惯量 j = o 2 k 。埘2 ；电枢回路总阻抗= 0 2 q ；极对数p = 4 。求出以下参数： c e e y ) = 等竽= 警一o ，讹” l 牛j u c 扣= 9 5 5 c 少= 1 5 5 m 。= c 扣， ，= 1 5 5 2 6 1 = 4 0 4 3 n 肼 哈尔滨工程大学硕士学位论文 若取发电机的转矩过载能力系数五= 1 5 ，可见发电机的电磁转矩极限值 缸一= 1 5 m 。= 6 0 6 5 n 聊，而推进电机的最大轴转矩小于此值，负载发电机 能够完成螺旋桨负载模拟。 4 2 2 直流发电机控制器 选用英国c t 公司的全数字直流电机控制器m e n t o r - i f 系列m 4 5 型产品。 实际上是一个大功率的晶闸管变流装置，采用逻辑无环流双闭环控制。具有 响应快、重量轻、体积小等特点。它能够实现对转速、转矩以及转向的控制。 此外，它具有完善保护措施，通信方便，全数字产品，可以通过编程来改变 控制器的参数设置，以适应不同场合或是同一场合的不同运行阶段的控制需 要。( 其控制原理及详细的技术参数请参见全数字直流电机驱动器 2 5 a 一1 8 5 0 a 使用手册) 4 2 3 数据采集卡 本推进系统控制的实时性和准确性很大程度上依赖于数据采集卡的性 能。选用p c i 一8 3 3 5 b 高速数据采集卡，p c i 一8 3 3 5 b 卡适用于提供了p c i 总线 插槽的p c 系列微机，具有即插即用( p n p ) 的功能。其a d 转换启动方式有 程控频率触发、程控单步触发。a d 转换后的数据结果通过先进先出存储器 ( f i f 0 ) 缓存后由p c i 总线读出。还提供了t t l 电平的1 2 路数字量输入和 1 4 路数字量输出信号通道及2 路1 6 位计数器，a d 采样程控频率高达1 0 0 k 。 不仅可以实现将工业控制机计算后的数字量转换成相应的模拟量( 电压) ， 而且可以利用模拟量输入输出和数字量输入出来采集状态信息，方便在监 控软件中实现状态显示，故障报警等功能。 4 2 4 转矩传感器和光电编码器 负载模拟系统产生给定转矩信号的输入量以及转矩反馈量都是由转矩转 速传感器测量得到，因此转矩转速传感器的转换速度、测量精度直接影响整 哈尔滨工程大学硕士学位论文 个负载模拟系统的技术指标。传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测 转矩信号，并采用导电滑环来耦合电源输入及应变信号输出，由于导电滑环 属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损和发热，这样不但限制了旋转轴 的转速及导电滑环的使用寿命，同时由于接触不可靠，也不可避免地会引起 测量信号的波动及误差的增加，因此本系统选用j n 3 3 8 智能数字转矩转速传 感器。 该转矩传感器的检测敏感元件是电阻应变桥，将专用的测扭应变片用应 变胶粘贴在被测弹性轴上即可组成应变电桥，向应变电桥提供电源即可测得 该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经过v f 转换，变成与扭应 变成正比的频率信号。 转矩测量计算式： m p = n ( 一f 毒| q ，- f o ) ( 4 - 7 ) m ，= n ( f o - f ) ( f o - ，j ( 4 8 ) 其中：m 。一正向转矩，单位n m ； 肘，一反向转矩，单位n 坍； 一转矩满量程，单位n m ： 厂。一转矩零点输出频率，单位k h z ； ，。一正向满量程输出频率，单位k h z ； ，一反向满量程输出频率，单位k h z ； ，一实测转矩输出值，单位k h z 。 量程为+ 1 0 0 n m ，f 。最大值为1 5 k h z ，对应转矩值为+ 1 0 0 n 删，f ，最 小值为5 k h z ，对应转矩值为一1 0 0 n m 。